CN112008834A - 一种陶瓷圆柱滚子的生产加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷圆柱滚子的生产加工方法。该方法是将陶瓷圆柱滚子毛坯进行双端面粗磨和外径粗磨，然后进行倒角加工，再进行外径精磨和双端面精磨，之后进行外径的超精加工；所述倒角加工是用砂轮对装夹的滚子进行磨削加工，所述装夹包括在滚子外径的上下方向上采用上、下滚轮进行压紧，利用上、下滚轮的转动驱动滚子转动，还包括在砂轮外径的前侧设置侧向支撑，以及在滚子的一端面设置端面支撑；砂轮由滚子的另一端面、砂轮外径的后侧进行进给，所述侧向支撑提供砂轮进给时的侧向定位，所述端面支撑提供砂轮进给时的轴向定位。该方法提高了倒角的加工精度，后续结合外径精磨、双端面精磨和外径的超精加工，实现陶瓷圆柱滚子的高精度加工。

Description

一种陶瓷圆柱滚子的生产加工方法
技术领域
本发明属于轴承滚动体的加工领域，具体涉及一种陶瓷圆柱滚子的生产加工方法。
背景技术
随着工业技术的发展，轴承的使用工况日益苛刻，在一些极端的工况如：高温、高速、低温、强腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干摩擦下，传统的钢制滚动体已不能满足正常使用要求。陶瓷滚动体具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁绝缘、无油自润滑、高转速等特性，可用于极度恶劣的环境及特殊工况。
目前一般工况下，圆柱滚子轴承通常使用钢制滚动体。申请公布号为CN107571602A的中国发明专利申请公开了一种钢制圆柱滚子的生产加工方法，包括将切断后的棒料软磨外径、端面；车两端倒角；热处理；外径、端面磨加工；磨倒角；终磨外径和外径超精加工。
已公布的现有技术中，钢制圆柱滚子倒角加工包含了车两端倒角、磨倒角两个工序，将以上两个工序合理嵌入圆柱滚子的加工流程中，合理的解决了倒角加工难题：车加工设备加工精度低，以及多遍的外径、端面的磨加工造成对倒角尺寸偏差、倒角跳动、倒角对称性等的控制困难。
陶瓷滚子由于其特殊性，通常采用粉末冶金方法进行制备，再通过磨加工达到成品要求。陶瓷圆柱滚子的双端面和滚子外径加工与钢制滚子类似，通过对磨料磨具进行替换即可实现。但倒角加工是陶瓷圆柱滚子的加工难点，通常是在压制毛坯上进行初步成型，但陶瓷滚子在烧结过程中会发生约20％左右的收缩变形，倒角尺寸和形状会受到较大影响，且粗糙度难以满足要求，因此生坯烧结后，需要对烧结坯的倒角进行独立工序的磨加工。
已公布的倒角加工方式针对的是钢制圆柱滚子，在钢制圆柱滚子的倒角加工过程中，一般是利用钢制圆柱滚子的磁性进行电磁装夹，但陶瓷圆柱滚子是非磁性的，陶瓷圆柱滚子的装夹困难进一步增加了陶瓷圆柱滚子的倒角加工难度，这也造成目前陶瓷圆柱滚子的加工精度无法与钢制圆柱滚子相媲美。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其可提高圆柱滚子精度。
为实现上述目的，本发明的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法的技术方案是：
一种陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，包括以下步骤：将陶瓷圆柱滚子毛坯进行双端面粗磨和外径粗磨，然后进行倒角加工，再进行外径精磨和双端面精磨，之后进行外径的超精加工；
所述倒角加工是用砂轮对装夹的滚子进行磨削加工，所述装夹包括在滚子外径的上下方向上采用上、下滚轮进行压紧，利用上、下滚轮的转动驱动滚子转动，还包括在砂轮外径的前侧设置侧向支撑，以及在滚子的一端面设置端面支撑；砂轮由滚子的另一端面、砂轮外径的后侧进行进给，所述侧向支撑提供砂轮进给时的侧向定位，所述端面支撑提供砂轮进给时的轴向定位。
本发明提供的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，对毛坯进行双端面粗磨和外径粗磨后，通过上下定位辅助侧向、轴向定位，实现陶瓷圆柱滚子倒角加工时的准确定位，进而提高倒角的加工精度；后续结合外径精磨、双端面精磨和外径的超精加工，制得高精度陶瓷圆柱滚子。
陶瓷圆柱滚子的材质以及制坯过程可参考现有技术，如可参考申请公布号为CN110698206A的相关说明。
具体的，可使用模压结合冷等静压方法得到氮化硅圆柱形坯体或直接采用冷等静压方法压制棒料毛坯。例如，将符合要求的氮化硅粉末混合料，装入钢制模具中进行压制，再装入橡胶模具中，然后放入冷等静压机中压制，完成后得到圆柱形坯体。或者，将符合要求的氮化硅粉末混合料，按照要求重量直接装入橡胶模具中捣实、密封后，放入冷等静压机中压制，得到压制棒料。冷等静压压力：250～280MPa，保压时间：3～5min。
使用数控车和定制车刀将坯体加工成单粒圆柱滚子毛坯，经过真空脱蜡后采用气压烧结和热等静压烧结工艺进行毛坯烧结，来制得陶瓷圆柱滚子毛坯。
倒角加工时，端面支撑、侧向支撑与滚子的接触位置为陶瓷或金刚石等耐磨材质，这样可以保证接触位置的耐磨性，保证加工精度。优选的，倒角加工时，砂轮的工作面为内凹圆弧形。其具体尺寸可依据倒角的设计要求进行设计。倒角加工时，砂轮采用电镀金刚石材质，粒度为270/325#；砂轮转速为14000～18000r/min，工件转速为400～450r/min，进给量为0.10～0.15mm/min。倒角磨加工采用切入式磨削，从滚子轴向和径向分别去除，加工至成品倒角尺寸。
双端面粗磨使用双端面磨床，由于陶瓷滚子相比于钢制滚子硬度极高，研磨双端面可配置相应的研磨膏来达到粗磨效果。优选的，粗磨使用W20粒度金刚石微粉配置的研磨膏，双端面粗磨使两端面的平行度达到0.002～0.004mm，表面粗糙度达到Ra0.2～0.4。优选的，使两端面的平行度达到0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.4。
外径粗磨使外径的圆度达到0.002～0.004mm，圆柱度达到0.002～0.004mm。表面粗糙度达到Ra0.4～0.6。外径粗磨使用无心外圆磨床，控制导轮转速为45～55r/min，砂轮转速为1000～1150r/min，进给量0.05～0.10mm/次。优选的，外径粗磨使外径的圆度达到0.004mm，圆柱度达到0.004mm。表面粗糙度达到Ra0.4。控制导轮转速为55r/min，砂轮转速为1000r/min，进给量0.05mm/次。
外径精磨使滚子外径的圆度为0.001～0.002mm，圆柱度为0.001～0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.2～0.4。外径精磨使用无心外圆磨床，外径精磨时，控制导轮转速为45～55r/min，砂轮转速为1000～1150r/min，进给量0.01～0.03mm/次。优选的，外径精磨使滚子外径的圆度为0.002mm，圆柱度为0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.32。控制导轮转速为55r/min，砂轮转速为1000r/min，进给量0.01mm/次。
双端面精磨使用双端面磨床，选用W1粒度金刚石微粉配置的研磨膏。双端面精磨使滚子两端面的平行度达到0.001～0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.1～0.2。优选的，双端面精磨使滚子两端面的平行度达到0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.125。
滚子外径超精加工使用圆柱滚子外径超精机。使用CBN油石，规格4000目。超精加工控制滚子外径圆度为0.0004～0.0006mm，圆柱度为0.0004～0.0006mm，表面粗糙度达到Ra0.03～0.05。优选的，控制滚子外径圆度为0.0004mm，圆柱度为0.0004mm，表面粗糙度达到Ra0.03。超精加工使用滚子外径超精机，超精头振动频率为1150～1250次/分，支撑辊转速为100～130r/min。优选的，超精头振动频率为1250次/分，支撑辊转速为130r/min。
附图说明
图1为本发明实施例1中滚子毛坯的实物图；
图2为本发明实施例1中成品滚子的实物图；
图3为本发明实施例1中倒角工序的加工示意图；
图4为图3的部分侧向视图；
图5为倒角加工时的磨削示意图；
图中1-主动压轮，2-从动压轮，3-金刚石砂轮，4-侧向支撑，5-待加工滚子，6-靠板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。
以下实施例中，陶瓷圆柱滚子为氮化硅材质，成品外径为16mm，高度为16mm。生产加工方法流程为：压制→车加工→烧结→磨加工。
氮化硅圆柱滚子毛坯的制备过程可参考CN110698206A中实施例1记载的方法。
具体地，将氮化硅混合料(粒径为40-80μm)装入外直径为30mm、高度为400mm、壁厚为2mm的橡胶管状模具中，将氮化硅混合料充分填实后置于冷等静压机中，在280MPa的压力下压制3min，得到氮化硅棒料生坯。使用数控车和定制车刀将坯体加工成单粒圆柱滚子毛坯，经过真空脱蜡后采用气压烧结和热等静压烧结工艺进行毛坯烧结，制得氮化硅圆柱滚子毛坯，其实物图如图1所示，最终制得的成品滚子实物图如图2所示。
脱蜡是在氮气保护气氛下负压载气脱蜡，脱蜡工艺为：室温(1h)，80℃(3h)，80℃(4h)，250℃(2h)，250℃(2h)，400℃(2h)，400℃(3h)，900℃(2h)，900℃(降温速度2℃/min)。将脱蜡后的氮化硅滚子毛坯置于在气压烧结炉内，在1740-1820℃下烧结2h，烧结的气氛为氮气与氩气组成的混合气，混合气的压力为4-6MPa，混合气中氮气的体积分数为10％，烧结后即得氮化硅圆柱滚子毛坯。
氮化硅圆柱滚子毛坯外径的磨加工余量为0.5～0.8mm，超精加工余量为0.005～0.01mm。毛坯端面的磨加工余量为0.5～0.8mm。
本发明的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法的具体实施例
实施例1
本实施例的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，包括以下步骤：
1)粗磨双端面：使用双端面磨床，选用W20粒度金刚石微粉配置的研磨膏，双端面粗磨后滚子两端面的平行度达到0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.4。粗磨加工余量为0.4～0.7mm。
2)粗磨外径：使用无心外圆磨床，导轮转速为55r/min，砂轮转速为1000r/min，进给量0.05mm/次。粗磨加工余量为0.4～0.7mm。外径粗磨后外径的圆度达到0.003mm，圆柱度达到0.003mm。
3)倒角加工：倒角加工的加工示意图如图3-图5所示。在滚子的外径上下两位置使用外径200mm，厚度10mm的上滚轮、下滚轮进行压紧，上滚轮为主动压轮1，下滚轮为从动压轮2，通过电机带动主动压轮1转动，主动压轮1通过皮带带动从动压轮2转动，主动压轮1、从动压轮2驱动待加工滚子5转动。
在滚子外径的砂轮进给方向(前侧)设置一侧向支撑4，提供磨削方向的定位支撑，侧向支撑4与滚子接触的部位为一陶瓷块，以保证侧向支撑的耐磨、可靠定位；在滚子的一端面设置一端面靠板6，提供滚子磨削时的轴向定位。靠板6与滚子接触的部位为一陶瓷片，以保证轴向定位的耐磨、可靠定位。
金刚石砂轮3在滚子的另一端面，滚子外径相对于侧向支撑的另一侧(后侧)进行进给，金刚石砂轮3的工作面为内凹圆弧面，其尺寸依据倒角规格设计，可通过金刚石砂轮3的轴向进给和径向进给加工成满足设计要求的倒角。金刚石砂轮3采用电镀金刚石材质，粒度为270/325#。砂轮转速14000r/min，工件转速450r/min，进给量0.15mm/min。滚子倒角轴向去除量0.6mm，径向去除量0.7mm。
上、下滚轮，金刚石砂轮均可根据成品滚子的规格设计，在市场上通过常规渠道进行购买或定制。
4)精磨外径：使用无心外圆磨床，导轮转速为55r/min，砂轮转速为1000r/min，进给量0.01mm/次。滚子外径的圆度为0.002mm，圆柱度为0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.32。
5)研磨双端面：使用双端面磨床，选用W1粒度金刚石微粉配置的研磨膏。滚子两端面的平行度达到0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.125。
6)超精外径：使用滚子外径超精机，超精头振动频率1250次/分，支撑辊转速130r/min。超精加工后滚子外径圆度为0.0004mm，圆柱度为0.0004mm，表面粗糙度达到Ra0.03。
实施例2
本实施例的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，获得与实施例1相同规格的陶瓷圆柱滚子。将氮化硅混合料装入直径大于25.5mm，高度大于51mm的合金模具中进行粉末压制成型，再将压制好的压坯装入橡胶模具中，密封后置于冷等静压机中，在250MPa的压力下压制5min，得到用于制备氮化硅滚子毛坯的氮化硅棒料生坯。其余步骤与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，包括以下步骤：将陶瓷圆柱滚子毛坯进行双端面粗磨和外径粗磨，然后进行倒角加工，再进行外径精磨和双端面精磨，之后进行外径的超精加工；
所述倒角加工是用砂轮对装夹的滚子进行磨削加工，所述装夹包括在滚子外径的上下方向上采用上、下滚轮进行压紧，利用上、下滚轮的转动驱动滚子转动，还包括在砂轮外径的前侧设置侧向支撑，以及在滚子的一端面设置端面支撑；砂轮由滚子的另一端面、砂轮外径的后侧进行进给，所述侧向支撑提供砂轮进给时的侧向定位，所述端面支撑提供砂轮进给时的轴向定位。
2.如权利要求1所述的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，倒角加工时，砂轮的工作面为内凹圆弧形。
3.如权利要求2所述的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，倒角加工时，砂轮采用电镀金刚石材质，粒度为270/325#；砂轮转速为14000～18000r/min，工件转速为400～450r/min，进给量为0.10～0.15mm/min。
4.如权利要求1所述的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，双端面粗磨使两端面的平行度达到0.002～0.004mm，表面粗糙度达到Ra0.2～0.4。
5.如权利要求1所述的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，外径粗磨使外径的圆度达到0.002～0.004mm，圆柱度达到0.002～0.004mm，表面粗糙度达到Ra0.4～0.6。
6.如权利要求1或5所述的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，外径精磨使滚子外径的圆度为0.001～0.002mm，圆柱度为0.001～0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.2～0.4。
7.如权利要求6所述的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，外径精磨使用无心外圆磨床，外径精磨时，控制导轮转速为45～55r/min，砂轮转速为1000～1150r/min，进给量0.01～0.03mm/次。
8.如权利要求1或4所述的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，双端面精磨使滚子两端面的平行度达到0.001～0.002mm，表面粗糙度达到Ra0.1～0.2。
9.如权利要求1-5中任一项所述的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，超精加工控制滚子外径圆度为0.0004～0.0006mm，圆柱度为0.0004～0.0006mm，表面粗糙度达到Ra0.03～0.05。
10.如权利要求9所述的陶瓷圆柱滚子的生产加工方法，其特征在于，超精加工使用滚子外径超精机，超精头振动频率为1150～1250次/分，支撑辊转速为100～130r/min。
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